8年臥薪嘗膽，馬斯克終讓全流量分級燃燒發動機成功飛天

不可否認，馬斯克在今天的航空領域應該是最接近神的男人！從2012年起，馬斯克臥薪嘗膽8年，一舉攻克了化學火箭發動機的終極形態----全流量分級燃燒！

人類因火而改變，火箭因火而得名，而基帝我，有可能因這期內容而小火！發動機是火箭的動力之源與靈魂，有朋友戲稱，只要發動機夠猛，磚頭也能飛上天！前幾天成功完成了150跳躍測試的星艦原型機SN5和SN6，其外形酷似一瓶沒有品牌的佳釀，「這瓶酒」能夠飛起來，其動力源自SpaceX的最新火箭發動機猛禽！你知道猛禽有什麼特別之處嗎？它是全球第一臺離開了地表的全流量分級燃燒火箭發動機，它讓傳承了近80年的傳統火箭發動機架構被迫退居二線，猛禽發動機從2012年正式立項，到2020年8月正式助力SN5飛天，馬斯克的團隊僅用了8年的時間便完成了航空領域下一代火箭發動機的研發，讓人不得不發自內心的伸出大拇指！

此時愛好科技的你可能會提出一個問題：

什麼是全流量分級燃燒火箭發動機？難道之前的都是「半流量不分級」火箭發動機嗎？

想要完全了解全流量分級燃燒火箭發動機的妙處，就必須要知曉火箭發動機的迭代史，知曉每一代火箭發動機的改進點及其存在的問題，但在開始之時，基帝要先向你發出一句靈魂拷問：

火箭存在的意義是什麼

顯而易見，發射火箭的意義是將地球上的人或物送往地球軌道或深空，對一次發射任務而言，火箭只是一個載具，它在將載荷成功送往預定軌道之後便會被地心引力拉回地球，墜落到海洋或荒漠。對發射者而言，載荷才是最重要的，在一次火箭發射任務中送入太空的物資越多，那麼火箭的利用率也就越高，但你知道嗎？火箭滿載時整體重量的大約90%都是燃料，比如咱們熟悉的獵鷹9號，其一級火箭在未添加燃料時的重量只有大約22噸，二級火箭的乾重也只有大約4噸，SpaceX官方給出的獵鷹9號滿載時的重量大約是549噸，刨除22噸的最大載荷重量，其餘的500噸左右都是燃料，其中一級火箭需要添加400噸燃料，二級火箭需要添加100噸燃料，獵鷹9號滿載時的燃料重量佔比高達91%！試想如果能夠提高發動機的燃燒效率，讓整體燃料的重量降低5噸，那麼火箭的有效載荷就可以多出5噸，這是不是很香！但這也真的很難！如何充分挖掘每一滴燃料的能量就是那個難點！而這個難點的解決方案目前來看只有一個，那就是全流量分級燃燒！

為什麼說全流量分級燃燒火箭發動機是化學火箭發動機的終極架構？

全流量的意思就是每一滴燃料都會在燃燒室或預燃室裡得到充分的燃燒，分級的意思是每一滴燃料都會燃燒兩次或更多次，如此一來，對基於化學原理的火箭發動機而言，這種效果就是燃料最理想的使用方式，全流量分級燃燒架構也就成了化學火箭發動機的終極構架。

但說歸說，說了這麼多你可能對全流量分級燃燒的概念依然模糊，這是因為你沒有看到傳統火箭發動機的工作原理及其弊病，以及全流量分級燃燒的工作原理及其對傳統架構弊病的規避方法，沒有對比當然就不會有清晰的理解，不要著急，這個硬核知識點稍後馬上奉上，咱們先了解一下化學火箭的誕生歷史。

液態燃料火箭發動機的鼻祖之78年前的V-2火箭

1942年10月3號，希特勒掌權時的德國成功試飛了由液態燃料發動機驅動的V2火箭，該火箭成功飛到了84.5公裡的高度，標誌著人類正式進入了太空時代，德國戰敗之後，V2火箭相關的技術流落到了美國、英國、蘇聯等國家，為三國的火箭技術提供了重要的一手資料，比如美國後期的火箭之王土星5號、俄羅斯仍在服役的宇宙神號以及SpaceX的獵鷹9號，這幾類火箭所採用的發動機技術都傳承自V-2火箭發動機，所以基於液態燃料的傳統火箭發動機架構至今已有近80年的歷史！美國蘇聯兩國在拿到了V-2火箭的核心技術之後，意識到人類已踏進了太空時代的大門，也就有了後續的太空爭霸，但兩國也清醒的認識到，火箭的核心技術其實就是發動機，能否研發出更先進的火箭發動機，幾乎直接決定了太空爭霸的結局！

重頭戲之液態燃料火箭發動機的架構進化史

在火箭主體結構中有兩個大大的燃料倉，其中一個用於裝載液態燃料比如航空級煤油、液態氫、液態甲烷等，另一個用於裝載液態氧，如此一來，火箭即使在真空的無氧條件下，依然可以藉助自身攜帶的燃料和氧氣進行化學燃燒反應，實現推進。在火箭的底部便是一臺或多臺發動機，它們的上部跟燃料倉相連，底部則是由主燃燒室和噴嘴構成的，燃料倉中的化學物質被抽到燃燒室裡之後，會在其內劇烈燃燒，產生大量高溫高壓的廢氣，廢氣再由發動機噴嘴噴出，基於牛頓第三定律，火箭即可藉助瞬時噴射出的廢氣獲得逆向的反作用力而前進。對不同型號的火箭發動機而言，燃燒室和噴嘴是標配且大同小異，不同之處在於燃料倉和燃燒室之間的燃料傳動系統，這也是一臺發動機的核心機密！

在1.0版本的火箭發動機燃料傳動系統中，一般會配備一個獨立的副燃燒室，液態燃料和液態氧在流向主燃燒室的過程中，會同比例分流一部分到副燃燒室中，它們在副燃燒室裡產生的廢氣可以推動傳動軸，進而帶動燃料泵工作，將燃料倉中的燃料抽取到主副燃燒室中，這部分廢氣會藉助與副燃燒室相連的一個排氣管排到發動機之外。這種原始的設計給人的第一印象是「不錯」，至少燃料可以持續平穩的到達主燃燒室，但這種設計有兩個不容忽視的缺點，其一是為了能讓燃料泵正常工作，必須犧牲少部分同比例的液態燃料和液態氧；其二，副燃燒室及其配套部件可以說又組成了一個小型火箭發動機，這不但增加了整體發動機的複雜度，排氣管的存在也增加了發動機的整體重量，讓發動機的推重比降低不少！

當時的火箭設計師們心裡很明白，如果能讓副燃燒室裡產生的廢氣也能給發動機提供推力，至少這部分燃料也就發揮了一定的作用，所以他們很自然的就想到了1.2版本，那就是將副燃燒室裡產生的廢氣直接再傳送到主燃燒室裡進行二次燃燒。在這種架構中，設計師們讓液態燃料在流向主燃燒室之前全部經過副燃燒室，同時將少部分液態氧也流向副燃燒室，如此一來，在副燃燒室中，由於燃料的比例大大高於氧氣，就會出現局部燃燒現象，其產生的熱量既能夠給傳動軸帶來動力，剩餘的燃料又能和大量的液態氧在主燃燒室裡燃燒，而且還省去了與副燃燒室相連的排氣管，一舉多得！由於在副燃燒室中燃料的比例大大高於氧氣，所以這種解決方案也被稱為「富油預燃模式」。

1.2版本看似完美，但在某些情況下依然存在問題，比如如果液態燃料是航空級煤油，那麼所有流經副燃燒室的液態煤油由於出現了不完全燃燒現象，它們在到達主燃燒室時，由於純度下降，即使有足夠的氧氣，也不能產生預期的燃燒室壓，進而就影響到了發動機的整體推力。面對這個問題，當時蘇聯的火箭設計師們提出了一種解決方案：既然「富油預燃模式」會降低主燃燒室中燃料的純度，那麼為什麼不採用與之相反的「富氧預燃模式」呢？

「富氧預燃模式」相較於「富油預燃模式」的最大區別是讓副燃燒室中氧氣的存在比例大大高於燃料的存在比例，如此一來，少部分的燃料在大量氧氣的包圍下便可充分燃燒，其廢氣也不會汙染到達主燃燒室裡的液態燃料，可謂一種完美的解決方案。就在蘇聯的設計師們進行這種原型機的測試之時，他們發現了一個嚴重的問題，由於副燃燒室中的少部分液態燃料在富氧模式下得到了充分燃燒，且副燃燒室沒有與之相連的噴嘴進行排氣降溫，當時沒有任何一種金屬可以抗住副燃燒室裡的高溫！

美國的火箭發動機設計師們貌似有先知先覺之能，他們沒有走富氧預燃模式，而是選擇了更換液態燃料，從航空級煤油變成了液態氫。事實證明他們做出了明智的選擇，後來太空梭所採用的發動機，就是基於這個思路設計和研發的。蘇聯的設計師們後來也成功研發出了一種可以抗住副燃燒室高溫的合金，他們也成功攻克了富氧預燃模式的難關，大名鼎鼎的RD-180火箭發動機，正是這種技術的延續，它至今仍服役於ULA主力火箭宇宙神5號的一級火箭。

到此為止，可以說當時的蘇聯和美國一個朝東一個朝西各解決了問題的一半，但在實際情況中，無論是富油預燃模式還是富氧預燃模式，始終存在著部分燃料被浪費的可能，所以火箭設計師們最終意識到，如果能讓富油模式和富氧模式雙劍合璧，為發動機同時提供兩個預燃燒室，它們同時接收最佳比例的液態燃料組合進行一級低效燃燒，帶動燃料泵，燃燒後的高溫廢氣及已氣化的燃料再同時流向主燃燒室進行二級高效燃燒，於是便有了燃料和氧氣始終在按最佳比例燃燒，且兩個預燃室中的高溫廢氣依然能在主燃燒室給火箭提供動力、主燃燒室中燃燒的是已氣化燃料的終極效果！

此時，全流量分級燃燒火箭發動機的優勢就可以總結為三點：

第一：所有液態燃料和液態氧始終在最佳比例下進行化學反應，沒有一滴燃料或液態氧被浪費掉，這裡就體現出了全流量燃燒的精髓。

第二：在兩個預燃室中，液態燃料和液態氧進行的是低效燃燒，既能保證給燃料泵提供動力，又不會產生足以融化發動機部件的高溫，對金屬材料的要求相較於富氧模式而言大大降低。

第三：在兩個預燃室中，液態燃料低效燃燒之後有兩種產物，一種是高溫廢氣，另一種是已發生了氣化現象的液態燃料，它們同時進入主燃燒室，燃料以氣體形態的燃燒效率明顯高於液體形態，充分燃燒之後的高溫廢氣又能跟預燃室產生的少部分高溫廢氣合二為一，共同釋放出最大的內部氣壓，這裡就體現出了分級燃燒的精髓，難怪猛禽發動機會創造330bar燃燒室壓的世界記錄！

憑藉著上述三個核心優勢，就可以將全流量分級燃燒發動機視為化學火箭發動機的終極形態！SpaceX的猛禽雖然在2012年立項2020年試飛成功，但它並不是全球第一臺全流量分級燃燒火箭發動機，其實在1967年，蘇聯就為登月競賽立項了RD-270全流量分級燃燒發動機，只不過在1969年美國成功登月的那一刻，蘇聯瞬間就洩氣了，停止了RD-270的研發進程，SpaceX的猛禽也便成為了全球第一臺試飛成功的全流量分級燃燒發動機。

美國雖曾在上世紀90年代透露出了研發全流量分級燃燒發動機的興趣，但當時無論是美國空軍還是NASA，都沒有為全流量分級燃燒發動機申報過預算，當時他們更痴迷於太空梭，痴迷於以液態氫作為主燃料的富油預燃發動機，這種痴迷一直持續到了現在，因為NASA目前正在研發的跟SpaceX的星艦體量相當的太空發射系統（SLS），其核心發動機，正是基於已退役的太空梭的發動機改進而來！

臨近結尾，基帝相信各位應該明白全流量分級燃燒火箭發動機到底是個什麼概念了，當然全流量分級燃燒之所以沒有普及開來，是因為它也有大量的技術難點，而其中的難中之難，就是如何控制兩個預燃室實現協同等量低效燃燒，因為如果兩個預燃室燃燒不同步，那麼液態燃料和液態氧的抽取速度就會失衡，進而就破壞了最佳的燃燒比例！還有一點就是，全流量分級燃燒的燃料應該不能再使用傳統的航空級煤油了，不然還會出現不完全燃燒現象，SpaceX的猛禽轉燒甲烷一方面是為了解決這個問題，另一方面也是考慮到在火星上提取甲烷相對容易，燃料易得方便返回地球！

科技的進步還是依賴於勇者，在明知道困難重重的全流量分級燃燒是火箭發動機未來的情況下，上世紀的蘇聯和美國選擇了放棄，今天的馬斯克選擇了堅持，其勇猛之勢及徵服火星的野心已經暴露無遺！2024，值得期待！